Лабораторная работа №6 Исследование генераторов на интегральном таймере кр1006ви1

Цель работы - изучение интегрального таймера КР1006ВИ1, расчет и исследование генераторов, выполненных на этой микросхеме.

Краткая теория

Микросхема (МС) КР1006ВИ1 (интегральный таймер) предназначена для формирования импульсов напряжения длительностью от 10 мкс до десятков минут. Ее можно применять в стабильных датчиках времени, генераторах импульсов, широтно-импульсных модуляторах, преобразователях напряжения, в аппаратуре промышленной, бытовой электроники и автоматики.

Микросхема КР1006ВИ1 выполнена на биполярных транзисторах и имеет следующие технические характеристики:

напряжение питания микросхемы U_пит = 5...15 В;

максимальный ток нагрузки — 100 мА;

выходное сопротивление R_вых  10 Ом;

наибольшая допустимая рассеиваемая мощность — 500 мВт;

длительность импульса и паузы генераторов на микросхеме КР1006ВИ1 с внешними времязадающими элементами R и C могут быть определены из приводимых далее формул (6.3) и (6.4).

Ф ункциональная схема таймера КР1006ВИ1 приведена на рис. 6.1,а.

Р и с. 6.1. Функциональная схема таймера КР1006ВИ1

Делитель напряжения на резисторах одинакового номинала R1, R2, R3 формирует напряжения U_оп1 и U_оп2, подаваемые на входы компараторов DA1 и DA2. Напряжение U_оп1, снимаемое с резисторов R2 и R3 и равное , подается на вход “минус” компаратора DA1, где сравнивается с напряжением, поступающим на вывод 6 микросхемы. Напряжение U_оп2, снимаемое с резистора R3 и равное , подается на вход “плюс” компаратора DA2, где сравнивается с напряжением, поступающим на вывод 2 микросхемы. Вывод 5 микросхемы позволяет изменять величины напряжений U_оп1 и U_оп2 за счет подключения резистора между выводами 5 и 8 или 5 и 1. Кроме того, на вход 5 можно подавать внешнее напряжение. Оно изменит величины U_оп1 и U_оп2, а это позволит управлять длительностью импульсов с помощью внешнего напряжения.

Выходные сигналы компараторов подаются на входы асинхронного RS-триггера DD1. Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 обеспечивает необходимую выходную мощность МС. Она достаточна для подключения к выходу электромагнитного реле.

Если на входе 2 действует напряжение, меньшее U_оп2, т.е.

U_вх2 < U_оп2 или, что то же, U_вх2 < , (6.1)

то на выходе компаратора DA2 будет высокий уровень (логическая 1). В противном случае на выходе DA2 будет низкий уровень (логический 0).

Если на входе 6 действует напряжение, меньшее U_оп1, т.е.

U_вх6 < U_оп1 или, что то же, U_вх6 < , (6.2)

то на выходе компаратора DA1 будет низкий уровень (логический 0). В противном случае на выходе DA1 будет высокий уровень (логическая 1).

Выходы компараторов поступают на установочные входы асинхронного триггера DD1. Как можно понять, при одновременном выполнении условий 1 и 2 триггер установится в состояние логической 1. Тогда высоким уровнем с прямого выхода триггера будет открыт транзистор VT2, а низким уровнем с инверсного выхода триггера будет закрыт транзистор VT1. Другими словами, в этом случае практически всё напряжение питания через открытый транзистор VT2 будет передаваться на выход МС (на выходе 3 МС будет высокий уровень).

При одновременном нарушении условий 1 и 2 триггер установится в состояние логического 0, что приведет к закрытию VT2 и открытию VT3, и на выходе 3 МС будет низкий уровень. Если условие 1 не будет выполняться, а условие 2 выполняется, то состояние триггера и, следовательно, выхода 3 не изменится. При выполнении условия 1 и нарушении условия 2 возникает запрещенное состояние на установочных входах триггера. Сказанное представлено в таблице.

Номер строки	Состояние на входах 2 и 6 микросхемы		Выходы компараторов (входы триггера)		Выход триггера (выход 3 микросхемы)
	Uвх2 < Uоп2	Uвх6 < Uоп1	DA2	DA1
	(Uвх2 < Uпит/3)	(Uвх6 < 2*Uпит/3)	S	R
1	Да	Да	В	Н	В
2	Да	Нет	В	В	Не определено
3	Нет	Да	Н	Н	Предыдущее
4	Нет	Нет	Н	В	Н

Вывод 4 МС (Сброс) позволяет прерывать работу МС независимо от уровней напряжения на входах 2 и 6. Для надежной установки триггера в нулевое состояние на вход 4 должно подаваться напряжение не более 0,4 В. При напряжении, большем 1 В, вход 4 на работу таймера влияния не оказывает (вход закрыт). Если функция сброса не используется, то вывод 4 следует соединить с выводом 8 (+U_пит).

Микросхема КР1006ВИ1 становится устройством, способным формировать временные интервалы после подключения к ней внешних времязадающих цепей. Конденсатор C обычно включают между выводом 6 и землей, а резистор R - между выводами 6 и 8 (+U_пит) или 6 и 3 (Выход). Если необходимо, то конденсатор можно разряжать в каждом цикле формирования импульсов. Для этого в схеме таймера предусмотрен транзистор VT1 с открытым коллектором. Коллектор этого транзистора (вывод 7) соединяют с конденсатором времязадающей цепи (обычно соединяют выводы 6 и 7).Разряжающий транзистор открыт, если на выходе МС установился низкий уровень напряжения.

Наибольшее значение сопротивления резистора времязадающей цепи не должно превышать 10 МОм.

В лабораторной работе исследуются схемы, построенные на зарубежном аналоге интегрального таймера — микросхеме 555. На рис. 6.1,б приведены УГО этой схемы и назначение ее выводов.

На рис. 6.2 показаны схемы генераторов, построенных на этой МС. Схемы приведены в виде, соответствующем их представлению на монтажном столе моделирующей программы. Преобразование одной схемы в другую выполняется просто.

На рис. 6.2,а приведена схема простого генератора прямоугольных импульсов, амплитуда которых определяется напряжением питания, частота – внешней времязадающей цепью RC, а скважность равна 50%.

В этой схеме времязадающая цепь RC подключена к выходному контакту, так что конденсатор C заряжается (разряжается) через резистор R выходным напряжением. Напряжение с конденсатора подается на входы компараторов: вход 2 и вход 6. Вывод 4 присоединен к источнику питания, чтобы обеспечить непрерывное генерирование.

Работа схемы происходит следующим образом.

Допустим, что в начале работы конденсатор C разряжен. Тогда в соответствии со строкой 1 таблицы на выходе схемы (3, OUT) будет высокий уровень напряжения. Вследствие этого конденсатор начнет заряжаться с постоянной времени T = RC. По мере заряда напряжение на конденсаторе превысит опорное напряжение U_оп1, так что на выходе компаратора DA2 установится низкий уровень, но это не изменит состояния триггера DD1 и, следовательно, выхода схемы (строка 3 в таблице).

Когда возрастающее напряжение на конденсаторе достигнет величины

U_оп2, переключится компаратор DA1, и на выходе схемы установится низкий уровень напряжения (строка 4 в таблице). Теперь конденсатор начнет разряжаться, выход компаратора DA1 переключится в исходное (низкое) состояние, но триггер и выход МС останутся в прежнем состоянии (низкий уровень на выходе). Когда напряжение на разряжающемся конденсаторе достигнет величины U_оп1, компаратор DA2 переключится на высокий уровень (строка 1 в таблице), поэтому триггер DD1 (и выход схемы) переключится на высокий уровень. Конденсатор начнет заряжаться, компаратор DA2 переключится на низкий уровень, но триггер останется в прежнем состоянии (строка 3 в таблице).

Далее процесс выходит на стационарный режим: конденсатор будет периодически заряжаться до уровня U_оп1, а затем разряжаться до уровня U_оп2. Так как постоянные времени разряда и заряда в схеме на рис. 6.2,а одинаковы, то скважность импульсов равна 0,5 и период следования импульсов в 2 раза больше длительности генерируемого импульса.

На рис. 6.2,д приведены эпюры изменения напряжений на конденсаторе и на выходе МС, полученные с помощью подключенного в схему двухканального осциллографа.

Чтобы получить импульсы со скважностью, отличной от 0,5, необходимо создать разные цепи для заряда конденсатора (определяет длительность положительной части периода импульса) и его разряда, когда формируется длительность паузы (нулевой части периода). Напомним, что разряжающий транзистор открывается во время нулевого состояния триггера DD1 (это соответствует нулевому напряжению на выходе МС). Схема, приведенная на рис. 6.2,б, решает поставленную задачу. В ней используется дополнительный резистор R1, который одним концом присоединен к конденсатору C, а другим – к выводу разряжающего транзистора (7, DIS). Заряд конденсатора по-прежнему происходит через резистор R, а при разряде (когда на выходе МС низкий уровень) параллельно ему включится резистор R1. За счет этого изменится соотношение между длительностями положительной и нулевой частей периода.

На рис. 6.2,в приведена схема, в которой можно оперативно изменять скважность импульса. Здесь цепи заряда и разряда конденсатора разделены с помощью диодов VD1 и VD2. Заряд осуществляется через диод VD1 и левую часть потенциометра RP, а разряд – через диод VD2 и правую часть потенциометра RP.

Замечание. Потенциометр в схеме включен так, что указываемые проценты соответствуют левой части потенциометра, т.е. должны соответствовать скважности импульса.

На рис. 6.2,г показана схема, в которой времязадающая цепь подключена не к выходному напряжению МС, а к источнику питания. Здесь заряд происходит через резисторы R1 и R, а разряд – через резистор R после замыкания разряжающего транзистора.

Из изложенного должно быть ясно, что длительность положительного импульса в рассматриваемых схемах определяется временем заряда конденсатора от уровня U_оп1 до уровня U_оп2, а длительность паузы – временем разряда конденсатора от U_оп2 до U_оп1. Эти времена определяются соответствующими постоянными времени заряда T_з = R_зC и разряда T_р = R_рC и значениями уровней опорных напряжений U_оп1 и U_оп2. Здесь под R_з и R_р понимаются эквивалентные сопротивления, действующие во время соответствующих процессов. На время заряда конденсатора резистор R_з подключается к напряжению питания U (U_вых МС практически ему равно), а при разряде резистор R_р соединяется с общей точкой (0 В).

Длительность импульса t_и (заряд конденсатора) в этих условиях может быть определена из выражения

. (6.3)

При U_оп2 = и U_оп1 = получаем t_и = T_зln2 ≈ 0,693T_з.

Длительность паузы t_п (разряд конденсатора) можно определить из выражения

. (6.4)

При U_оп2 = и U_оп1 = получаем t = t_п = T_рln2 ≈ 0,693T_р.